사실 산화갈륨(Ga2O3)은 새로운 기술이 아닙니다. 전력반도체 분야의 산화갈륨 응용에 대한 연구는 기업과 연구기관에서 상시 진행되고 있다. 그리고 산화 갈륨 재료는 주로 일본산입니다. Ga2O3 애플리케이션 요구 사항의 개발이 명확해짐에 따라 고전력 장치에 대한 성능 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 산화 갈륨 반도체는 미국, 일본, 독일 및 기타 국가에서 연구 핫스팟 및 경쟁 우선 순위가 되었습니다. PAM-XIAMEN은 산화갈륨반도체의 장점과 전망을 더욱 심도 있게 보았고 이에 상응하는 연구가 증가했습니다. 현재,PAM-XIAEMN 제공 가능Ga2O3 웨이퍼프라임 등급과 더미 등급.

1. G열정적 인 CHange of Semiconductor Materials

우선, 우리는 각 세대의 반도체의 상황을 알아야합니다.

1세대 반도체 재료는 주로 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 원소 반도체 재료를 가리킨다. 1세대 반도체 재료, 특히 실리콘은 반도체 장치의 개발 및 응용 분야에서 확고한 위치를 차지하고 있습니다. 대규모 집적 회로, 아날로그 IC, 센서 및 기타 장치의 기본 재료입니다. 실리콘 가공 기술은 무어의 법칙 실현의 초석입니다. 실리콘 기반 칩은 컴퓨터, 휴대 전화, 텔레비전, 항공 우주 및 신 에너지 및 실리콘 광전지 산업에서 널리 사용되었습니다. 그 결과 업계 밖의 많은 사람들은 반도체를 언급할 때 반도체가 실리콘이라고 생각합니다.

2 세대 반도체 재료는 주로 갈륨 비소 (GaAs) 및 인듐 인화물 (InP)과 같은 화합물 반도체 재료를 지칭하며, 또한 GaAsAl, GaAsP와 같은 삼원 화합물 반도체 및 Ge-와 같은 일부 고용체 반도체를 포함합니다. Si, GaAs-GaP, 유리 반도체 (비정질 반도체라고도 함), 비정질 실리콘, 유리 산화물 반도체, 프탈로시아닌, 구리 프탈로시아닌, 폴리 아크릴로 니트릴 등과 같은 유기 반도체 등

3 세대 반도체 재료는 다음으로 대표되는 와이드 갭 반도체 재료를 말합니다.실리콘 카바이드 (SiC),질화 갈륨 (GaN)및 산화 아연 (ZnO). 응용 측면에서는 3 세대 반도체 개발에 따라 반도체 조명, 전력 전자 소자, 레이저 및 검출기 등 4 개 분야가 주요 응용 분야입니다. 광대역 갭 반도체는 아직 실험실 연구 및 개발 단계에 있습니다.

4 세대 반도체 재료는 주로 다이아몬드 (C), 산화 갈륨 (Ga2O3) 반도체, 질화 알루미늄 (AlN)으로 대표되는 UWBG (Ultra-Wide Band Gap) 반도체 재료로 밴드 갭이 4eV를 초과하고 좁은 밴드 갭 (UNBG) 반도체 재료. 안티 모나 이드 (GaSb, InSb)는 대표적인 Ultra-Narrow Band Gap (UNBG) 반도체 소재입니다. 응용 분야에서 초광각 Ga2O3 밴드 갭 재료는 주로 전력 장치 분야에서 더 두드러진 특징적인 이점을 갖는 3 세대 재료와 겹칠 것입니다. 매우 좁은 밴드 갭 재료의 쉬운 여기와 높은 이동성으로 인해 주로 검출기 및 레이저에 사용됩니다.

2.특성 갈륨 산화물반도체

산화 갈륨은 금속 갈륨의 산화물이며 반도체 화합물이기도합니다. 그것은 5 개의 확인 된 결정 형태, α, β, γ, δ 및 ε을 가지고 있습니다. 지금까지 그중에서도 β 상이 가장 안정적입니다. 다음 부분에서 PAM-XIAMEN에서 생산 한 갈륨 산화물 반도체 재료를 예로 들어 보겠습니다.

갈륨 산화물 (Ga2O3) 결정 성장 및 물리학에서의 Ga2O3 특성과 관련된 대부분의 산업 연구 보고서는 β 상을 사용하며, β상은 국내 연구 개발에도 널리 사용됩니다. β상은 "β-gallia"라고 불리는 단일 Ga2O3 결정 구조를 가지고 있습니다. β상의 밴드 갭은 매우 커서 4.8 ~ 4.9eV에 이르며, 이는 Si의 4 배 이상이며, 3.3eV의 SiC 및 3.4eV의 GaN을 초과합니다 (아래 표 1 참조). 정상적인 상황에서는 산화 갈륨 밴드 갭이 크고 파괴 전계 강도가 커집니다. β상의 Ga2O3 항복 전계 강도는 약 8MV / cm로 추정되며, 이는 Si의 20 배 이상이며 이는 SiC 및 GaN의 2 배 이상에 해당합니다. 현재 연구 기관은 실제로 6.8MV / cm 장치를 제작했습니다.

자료	Bandgap / eV	녹는 점 / ℃	전자 이동도 (cm2 * V-1 * s-1)	전자 포화 속도 / （107cm * s-1）	고장 전기장 / (108 V * m-1)	유전 상수	열전도율 (W * cm-1 * K-1)	발리가 메리트
시	1.1	1410	1400	1	0.3	11.8	1.5	1
갈륨 비소	1.4	1238	8000	2	0.4	12.9	0.55	5
4H-SiC를	3.3	>2700	550	2	2.5	9.7	2.7	340
질화 갈륨	3.39	1700	600	2	3.3	9	2.1	870
다이아몬드	5.5	3800	2200	3	10	5.5	22	24664
갈륨 산화물	4.8-4.9	1740	300	2.42	8	10	0.27	3444
질화 붕소	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

β상은 물성이 우수하지만 이동성과 열전도도가 낮아 SiC, GaN보다 열등한 p 형 반도체 제조가 어렵다. 그러나 현재 연구에 따르면 이러한 측면은 전력 장치의 성능이 파괴 전계의 강도에 크게 의존하기 때문에 전력 구성 요소의 특성에 큰 영향을 미치지 않습니다. β상의 경우 저손실 지표로서“Baliga의 성능 지수”는 항복 전계 강도의 3 승에 비례하고 이동성의 1 승에 비례합니다.

Baliga 성능 지수는 미국 제너럴 일렉트릭에서 수년간 전력 반도체 연구 및 개발에 종사해온 Jayant Baliga가 제안했습니다. 파워 MOSFET과 같은 유니 폴라 디바이스의 성능 평가에 사용됩니다. 저주파의 이론적 손실을 정량화하는“BFOM (Baliga의 공로 지수)”과 고주파의 이론적 손실을 정량화하는“BHFFOM (발리가의 고주파 성능 지수)”가 있습니다. 전력 반도체 R & D 분야에서는 저주파 BFOM이 널리 사용됩니다.

전력 반도체 소재 및 부품 특성 비교
	규소	4H-SiC를	질화 갈륨	β-Ga2O3
고전압 부품	대량 생산	대량 생산	개발중인	연구 단계
중간 내전압 부품	대량 생산	대량 생산	대량 생산	개발 단계
요소의 ON 저항	약간 높은	낮은	낮은	매우 낮은
저주파 손실 성능 지수 (BFOM의 상대 값)	1	500	900	3,000 (매우 높음)
항복 전계 강도 (MV / cm)	0.3	2.8	3.5	8 (예상치)
열전도율 (W / (cm * K))	1.5	4.9	2	0.1-0.3 (낮음)
기판 (웨이퍼) 비용	매우 낮음	높은	매우 높음 (GaN 기판)	낮음 (연구 단계)
밴드 캡 (Ev)	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
수직 요소	대량 생산	대량 생산	개발 중 (약간 어려움)	개발 단계 (매우 가능성 있음)

• β-Ga2O3_{소재는 Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN)에서 가져온 것입니다.}

β상의 높은 Balijia 성능 지수로 인해 동일한 내전압을 가진 단 극성 전력 장치를 제조 할 때 구성 요소의 온 저항이 SiC 또는 GaN의 저항보다 훨씬 낮습니다. 실험 데이터에 따르면 온 저항을 줄이는 것이 전원을 켤 때 전원 회로의 전력 손실을 줄이는 데 도움이됩니다. β 상 전력 Ga2O3 장치를 사용하면 켜는 동안 전력 손실을 줄일 수있을뿐만 아니라 스위칭 중 손실도 줄일 수 있습니다. 단극 구성 요소는 1kV 이상의 고 내압 응용 제품에 사용할 수 있기 때문입니다. β-Ga2O3는 광대역 갭 전자 및 광전자 공학에 적합합니다.

예를 들어, 보호막을 사용하여 게이트로의 전계 집중을 줄이는 단극 트랜지스터 (MOSFET)가 있으며 그 내전압은 3k ~ 4kV에 도달 할 수 있습니다. 실리콘을 사용하는 경우 내전압이 1kV 일 때 바이폴라 소자를 사용해야합니다. 내전압이 ​​더 높은 SiC를 사용하더라도 내전압이 4kV이면 바이폴라 소자를 사용해야합니다. 바이폴라 장치는 전자와 정공을 캐리어로 사용합니다. 전자 만 캐리어로 사용하는 단극 소자와 비교할 때 채널에서 캐리어의 생성 및 소멸은 켜기 및 끄기 스위칭 작업 중에 많은 시간이 소요됩니다. 손실이 큰 경향이 있습니다.

산화 갈륨 열전도율 측면에서이 매개 변수가 낮 으면 전원 장치가 고온에서 작동하기 어렵습니다. 그러나 실제 작동 온도는 일반적으로 250 ° C를 초과하지 않으므로 적용시 작동에 영향을 미치지 않습니다. 전력 소자로 캡슐화 된 모듈 및 전력 회로에 사용되는 포장재, 배선, 납땜 및 밀봉 수지의 내열 온도는 250 ° C 이하이므로 전력 소자의 작동 온도도이 수준 이하로 제어해야합니다.

또 다른 관점에서, 제조하기 쉬운 천연 기질, 캐리어 농도 제어 및 고유 한 열 안정성은 또한 산화 갈륨 장치의 개발을 촉진했습니다. 표현 된 관련 논문 Ga2O3 기판Si 또는 Sn으로 N 형을 도핑하면 좋은 제어 성을 얻을 수 있습니다.

일부 UWBG 반도체 (예 : 질화 알루미늄 AlN, 입방정 질화 붕소 c-BN 및 다이아몬드)는 BFOM 차트에서 산화 갈륨 반도체보다 더 많은 장점을 가지고 있지만 재료 준비 및 장치 처리는 엄격하게 제한됩니다. 즉, AlN, c-BN 및 다이아몬드는 여전히 대규모 산업화를위한 기술 축적이 부족합니다.

관련 통계에 따르면 산화 갈륨 반도체의 손실은 이론적으로 실리콘의 1 / 3,000, 실리콘 카바이드의 1/6 및 질화 갈륨의 1/3입니다. 손실을 86 % 줄이기 위해. 업계의 사람들은 미래에 대한 높은 기대치를 가지고 있습니다. 비용은 업계의 관심을 끄는 또 다른 중요한 요소입니다.

PVT 방법은 일반적으로 SiC 잉곳 생산에 사용됩니다. 고체 SiC는 승화를 위해 2500 ° C로 가열 된 다음 약간 낮은 온도의 고품질 SiC 시드 결정에서 재결정됩니다. 핵심적인 어려움은 다음과 같습니다.

1) 가열 온도는 2500 ℃ 정도로 높고 SiC 성장 속도는 매우 느립니다 (<1mm / h);

2) 성장한 결정 잉곳의 크기는 Si의 크기보다 훨씬 짧습니다.

3) 종자 결정에 대한 요구 사항은 매우 높으며 고품질의 특성과 필요한 결정 직경과 일치해야합니다.

4) SiC 잉곳의 경도는 상대적으로 높고 가공 및 연마가 어렵습니다.

SiC 기판을 기반으로하는 화학 기상 증착 (CVD)은 일반적으로 고품질 에피 택셜 레이어를 얻기 위해 사용되며, 그런 다음 에피 택셜 레이어에 전력 디바이스가 제작됩니다. SiC 기판 웨이퍼는 Si보다 결함 밀도가 높기 때문에 에피 택셜 층의 성장을 더욱 방해합니다. 에피 택셜 층 자체도 결정 결함을 생성하여 후속 장치의 성능에 영향을 미칩니다.

사파이어와 같은 Ga2O3는 용액 상태에서 벌크 (벌크) 단결정 상태로 변환 될 수 있습니다. 실제로 일본 NCT는 사파이어 웨이퍼 생산 기술과 동일한 가이드 몰드 방식 인 EFG (Edge-defined Film-fed Growth)를 사용하여 최대 직경이 6 인치 (150mm) 인 산화 갈륨 웨이퍼를 생산하려고 시도했습니다. 직경 2 인치 (50mm) 웨이퍼는 연구 개발 목적으로 판매되었습니다. 이 공정은 높은 수율, 저비용, 빠른 성장률 및 큰 성장 결정 크기가 특징입니다.

Flosfia가 사용하는“분무법”은 4 인치 (100mm) α 상 Ga2O3 웨이퍼를 생산했으며 비용은 실리콘에 가깝습니다. 그러나 실리콘 카바이드 (SiC) 및 질화 갈륨 (GaN) 재료는 현재 "기체 상 방법"으로 만 제조 할 수 있으며, 기판의 높은 비용으로 인해 향후 비용이 계속 높아질 것입니다. 갈륨 산화물 반도체의 경우 현재의 넓은 밴드 갭 SiC 및 GaN 기술에 비해 고품질 및 대형 천연 갈륨 산화물 박막은 독특하고 상당한 비용 이점을 가질 것입니다.

3. 현재 Status of Research 및 D개발 및 I산업화 G부추 속 Oxide

많은 장점이 있기 때문에 산화 갈륨은 질화 갈륨보다 더 넓은 전망을 가진 기술로 간주됩니다.

SiC 또는 GaN. 산업 체인의 분업 관점에서 Cree, Rohm, ST는 이미 SiC 기판 → 에피 택시 → 디바이스 → 모듈의 수직 공급 시스템을 형성했습니다. Infineon, Bosch, OnSemi 등과 같은 제조업체는 기판을 구입 한 다음 스스로 Ga2O3 에피 택셜 성장을 수행하고 장치와 모듈을 만듭니다.

전기 자동차와 같은 디지털 기계와 엄격한 비용 요구 사항이있는 "저렴한"가전 제품의 경우 실리콘 카바이드와 질화 갈륨이 우수한 성능을 제공하더라도 제조업체는 가격을 거의 받아 들일 수 없습니다. 비용 문제는 업계가 새로운 반도체 재료를 채택하는 것을 방해합니다. FLOSFIA의 "분무 건조 방법"(MistDry)은 먼저 수십 가지 공식과 혼합 된 용액에 산화 갈륨을 용해시킨 다음 미스트 형태로 사파이어 기판에 용액을 분무합니다. 사파이어 기판의 용액이 건조되기 전에 산화 갈륨 결정이 형성되었습니다. 이러한 방식으로 Ga2O3 박막은 고온의 초 청정 환경없이 액체 상태에서 직접 얻어지며 초저가로 Ga2O3 웨이퍼를 제조합니다.

이러한 종류의 용액은 실온에서 액체이며 증발 온도는 1,500도에 도달 할 필요가 없으며 수백도이면 충분합니다. 결정을 만들기위한 환경은 고비용의 절차없이 상온 공기입니다. 작은 크기를 고려한다면 실리콘보다 가격이 같고 성능이 좋은 반도체를 만들 수있다.

일부 전문가들은 재료 특성으로 인해 산화 갈륨 반도체를 P 형 반도체를 만드는 데 사용할 수 없다고 생각합니다. 그러나 교토 대학의 Shizuo Fujita와 Flosfia는 2016 년에 사파이어 구조의 G2aO3 소자 노멀 오프 트랜지스터 (MOSFET)를 성공적으로 개발했습니다. 현재 널리 사용되는 실리콘 소재를 산화 갈륨 소재로 대체하면 1,440 만 톤의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있습니다. 매년.

4. 전력 반도체의 산업 특성은 갈륨 산화물 장치의 폭발적인 성장에 적합합니다

전력 반도체는 모든 전력 전자 분야에서 사용되고 있으며 시장은 성숙하고 안정적이며 성장이 느리다. 그러나 업계는 항상 더 높은 전력 (더 빠른 충전 및 방전), 더 효율적인 에너지 절약 (열 감소, 더 안전하고 환경 친화적), 더 작은 크기 및 무게 (더 휴대 가능하고 설치 및 유지 관리가 더 쉬움) 및 더 낮은 비용 (더 넓은 Ga2O3)을 추구합니다. 응용 프로그램 및 시장). 따라서 최근 몇 년 동안 새로운 에너지 차량, 재생 에너지 발전, 주파수 변환 가전 및 고속 충전과 같은 새로운 응용 분야가 새로운 거대한 성장을 이끌었습니다.

① 산업 특성 1 : 무어의 법칙을 따라갈 필요가 없습니다. 일반적으로 0.18 ~ 0.5um 제조 공정을 사용할 수 있습니다. 그것은 재료의 품질에 의존하고 재료 및 장치의 생산 공정에 대한 높은 요구 사항을 가지고 있습니다. 통합 및 모듈화에 대한 전반적인 추세로 인해 새로운 패키징 디자인을 개발해야합니다.

설계 절차 : 전력 반도체 회로는 구조가 단순하며 아키텍처, IP, 명령어 세트, 설계 프로세스, 소프트웨어 도구 등에 많은 자본을 투자 할 필요가 없습니다.

제조 : 무어의 법칙을 따라 잡을 필요가 없기 때문에 생산 라인은 첨단 장비에 크게 의존하지 않고 전체 자본 지출이 적습니다.

패키징 : 개별 장치 패키징과 모듈 패키징으로 나눌 수 있습니다. 전력 장치는 매우 높은 신뢰성 요구 사항을 가지고 있기 때문에 특별한 디자인과 재료가 필요하며 후속 처리의 가치는 일반 디지털 로직 칩의 10 %보다 훨씬 높은 35 % 이상을 차지합니다. 현재 연구 프로젝트 및 제품 레이아웃에 따라 많은 기업이 더 높은 가치를 지닌 중-고급 제품으로 전환하기 시작했습니다.

② 산업 특징 1 : 전력 반도체 산업은 일반적으로 기업이 더 크고 강해지기에 더 적합한 IDM 모드를 채택한다. 기판과 에피 택시 회사가 분리 될 수 있고 칩 설계 및 제조 절차가 통합되어야하지만 그렇지 않으면 기술 발전을 이룰 수있는 능력이 상실되고 생산 능력이 제한됩니다. 따라서 아웃소싱은 저가형 제품의 생산 능력을 보완하는 용도로만 사용할 수 있습니다.

③ 산업 특징 2 : 새로운 에너지 차량 및 기타 신흥 응용 프로그램은 계속해서 새로운 반도체 재료의 부상을 촉진합니다.

4 세대 재료는 고전력 및 고주파 애플리케이션 시나리오에서 실리콘 재료를 대체하기 위해 3 세대 반도체와 협력 할 가능성이 있습니다. 산업 전체가 산업화의 초기 단계에 있습니다.

새로운 에너지 차량, 5G, 고속 충전 및 잠재적 인 실리콘 대체 시장과 같은 신흥 시장의 요구에 따라 현재의 심층 연구 및 산업화는 주로 SiC 및 GaN을 기반으로합니다. Ga2O3 기술 보유량이 약하기 때문에 이러한 기술을 보유한 기업은 경쟁 압력이 덜합니다.

4 세대 반도체 인 산화 갈륨 반도체의 핵심 난제는 재료 준비에 있습니다. 물질적 측면의 돌파구는 큰 시장 가치를 얻을 것입니다.

자세한 내용은 다음 주소로 이메일을 보내주십시오. victorchan@powerwaywafer.com 과 powerwaymaterial@gmail.com.